Нелинейные оптические усилители

В оптических системах, использующих волоконно-оптический кабель, для усиления сигналов можно использовать нелинейные явления в оптическом волокне, такие, как ВКР (вынужденное комбинационное рассеяние) или эффект Рамана и ВРМБ (вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна).

Усилители, использующие вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна

Стимулированное бриллюэновское рассеяние наблюдается при мощностях накачки 10 мВт – это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда энергия оптической волны на частоте, скажем f1, переходит в энергию новой волны на смещённой частоте f2. Если мощная накачка производится на частоте f1, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f2.

В таких усилителях усиление имеет место только тогда, когда сигнал распространяется в направлении противоположном лучу накачки.

Усилители, использующие вынужденное комбинационное рассеяние (рамановские)

Стимулированное рамановское рассеяние наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт – это нелинейный эффект, который подобно бриллюэновскому рассеянию может использоваться для преобразования части энергии из мощной волны накачки в слабую сигнальную волну. Однако при рамановском рассеянии частотный сдвиг между волной накачки и сигнальной волной (f1 - f2) больше, а выходной спектральный диапазон шире, чем у ВРМБ усилителей. Это позволяет усиливать сразу много волновых каналов в WDM сигнале. В таких усилителях луч накачки и луч сигнала могут распространяться как в одном направлении, так и быть встречными.

Рисунок 3.56 – Включение лазеров накачки в рамановском ОУ

 

Усиление сигнала в рамановских усилителях распределено по длине опти­ческого волокна примерно до 20 км и сигнал из-за потерь в оптическом волокне уменьшается не так сильно, как при обычном усилении, что улучшает отноше­ние сигнал/шум.

Рамановские усилители перспективны для применения в волоконно-оптических системах связи в силу их следующих принципиальных преимуществ:

- они могут усиливать на любой длине волны;

- в качестве активной среды рамановских усилителей может использоваться сам волоконный световод;

- спектр усиления этих усилителей зависит от спектра (длины волны) накачки, поэтому, в принципе, подбором источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления;

- рамановские усилители имеют низкий уровень шумов.

Рамановские усилители (Raman amplifiers) позволяет увеличивать число каналов в существующих линиях связи без замены уже установленных EDFA. Они могут успешно применяться в подводных линиях средней протяженности без повторителей (длиной около 300 км), где установка усилителей EDFA требует больших затрат.

 

Таблица 3.3 – Сравнение параметров нелинейных усилителей

Параметры	Усилитель Рамана	Усилитель Бриллюэна
Коэффициент усиления в отсутствии насыщения	40 дБ	40 дБ
Неравномерность АВХ	низкая	высокая
Максимальная выходная мощность	1 Вт	1 мвт
Полоса усиливаемых частот	До 40 ТГц (100нм)	100 МГц
Коэффициент шума, дБ	3 дБ	15 дБ

Основным недостатком рамановских усилителей является их невысокая эффективность преобразования, что требует использования довольно мощного непрерывного излучения накачки (~1 Вт) для получения типичной для оптических систем связи величины усиления сигнала 30 дБ.

Типичными параметрами рамановских усилителей являются: Мощность насыщения Рн ВКР-усилителей значительно больше, чем ППОУ (1Вт против 1 мВт), причем накачка может быть как попутная, так и встречная. В качестве накачки используются лазеры с длиной волны 1060 нм (для усиления сигналов 1300 нм) и 1320 нм (для усиления сигналов с длиной волны 1550 нм). Этот тип усилителей достаточно широкополосен (5-10 ТТц) и годится для усиления сигналов в системах с WDM.

Параметры усилителей Брилюэна: ширина полосы таких усилителей значительно меньше, чем у рамановских усилителей (десятки мегагерц против терагерц), мощность накачки Р_нак и мощность насыщения усилителя Рн составляют около 1 мВт.

Перспективным направлением является е разработка и создание гибридных волоконных усилителей, состоящих из различных комбинаций, включающих распределенный рамановский усилитель и эрбиевый волоконный усилитель.

Вынесенные оптические усилители с накачкой по отдельному волокну (ROPA)

В линейных трактах многоволновых систем часто используют вынесенные оптические усилители с накачкой по отдельному волокну (Remote Optical Power Amplifiers - ROPA). Эти усилители впаиваются в кабель на некотором расстоянии от оконечных пунктов. Данные усилители представляют собой пассивные (с «электрической» точки зрения) устройства, получающие энергию накачки по отдельному волокну. Вынесенные усилители используются главным образом на приёмном конце (PreROPA). Вынесенные усилители позволяют реализовать большее удлинение пролёта, чем рамановские усилители, но требуют использования дополнительного волокна для доставки энергии накачки. Вынесенные оптические усилители могут также использоваться и на передающем конце (Post-ROPA) вместо мощных оптических усилителей, размещаемых непосредственно в оконечном оборудовании. Этим самым удаётся снизить негативные нелинейные эффекты в оптическом волокне.